ВЧ-преионизация для многолучевых волноводных CO2-лазеров.

ВЧ-преионизация для многолучевых волноводных CO2-лазеров.

Резюме

Многолучевой волноводный CO2-лазер работает с несколькими каналами внутри одного резонатора, и первый вышедший из строя канал тянет за собой общий источник питания. Высокочастотная предионизация в диапазоне от 10 до 100 МГц заполняет каждый канал одновременно, поскольку поле проникает через малое поперечное сечение в виде эванесцентной волны. В этой статье приводятся уравнения для отсечки, проникновения и плотности затравки, четыре случая выхода из строя каналов, а также данные о согласующем конденсаторе, которые позволяют удерживать задержку зажигания менее 200 нс.

1. Введение

Многолучевой волноводный CO2-лазер объединяет несколько параллельных каналов в одном резонаторе, каждый диаметром в несколько миллиметров. Каналы используют общий источник питания, и каждый из них имеет свой собственный порог пробоя. Первый сработавший канал замыкает общую шину на землю.

Традиционная низкочастотная предионизация использует массив искровых импульсов. В однолучевом лазере этот источник хорошо покрывает зазор. В многоканальном блоке каналы расположены на расстоянии от 1 до 3 мм друг от друга. Ультрафиолетовое излучение не может достичь центра каждого канала с одинаковой дозой.

Высокочастотная предварительная ионизация представляет собой импульс энергии от 10 до 100 МГц, подаваемый перед основным импульсом. Поле входит в каждый волновод в виде эванесцентной волны и заполняет все поперечное сечение, так что все каналы достигают состояния зажигания одновременно.

В этой статье представлены уравнения отсечки и проникновения, масштабирование плотности зародышей, четыре типа отказов между каналами, а также данные о связи и резисторах, позволяющие поддерживать задержку зажигания ниже 200 нс на протяжении всего производственного цикла.

2. Основной механизм

2.1 Моды волновода и частота отсечки

Прямоугольный волновод пропускает энергию выше своей частоты отсечки и отбрасывает её ниже. Низшая мода в лазерном волноводе — это мода EH₁₁, и её частота отсечки определяет границу.

f_c = (c / 2) · √((1/a)² + (1/b)²)

где f_c — частота отсечки моды EH₁₁ в ГГц, c — скорость света в мм/нс, а a и b — размеры длинного и короткого поперечного сечения в мм. Волновод размером 2 мм × 2 мм достигает частоты 106 ГГц, а волновод размером 1 мм × 1 мм — 212 ГГц.

Предионизационная полоса в диапазоне от 10 до 100 МГц находится значительно ниже этой границы, поэтому энергия не распространяется в виде моды. Вместо этого она входит в систему в виде эванесцентной волны.

2.2 Глубина проникновения эфемерного эффекта

Ниже частоты среза поле затухает с расстоянием вглубь волновода. Длительность затухания определяется тем, насколько частота возбуждения находится ниже частоты среза.

δ = 1 / √((2πf/c)² − (2πf_c/c)²)

где δ — глубина проникновения в мм, f — частота возбуждения в Гц, f_c — частота отсечки в Гц, а c — скорость света в мм/нс. При частоте f = 50 МГц и f_c = 106 ГГц значение δ значительно превышает поперечное сечение в 2 мм, поэтому поле заполняет волновод.

Именно такое поведение объясняет эффективность метода на малом поперечном сечении. Ультрафиолетовый свет следует по прямой линии зрения. Он отбрасывает тень за каждым электродом. Эванесцентное поле достигает каждого угла канала.

2.3 Энергия электронов в радиочастотном поле

В высокочастотном поле электрон получает энергию за один полупериод и отдает ее обратно за следующий. Суммарная энергия, которую он сохраняет, зависит от количества столкновений, которые он совершает за один цикл.

ε_avg = (e² · E₀²) / (2 · m_e · (ω² + ν_c²))

где ε_avg — средняя энергия электрона в эВ, e — заряд электрона в Кл, E₀ — пиковое поле в В/мм, m_e — масса электрона в кг, ω — угловая частота в рад/с, а ν_c — частота столкновений электрона с нейтральным атомом в Гц. В смеси CO2 при давлении 1 атм ν_c находится вблизи 10¹⁰ Гц.

В диапазоне частот от 10 МГц до 100 МГц частота столкновений превышает частоту возбуждения, поэтому электрон сталкивается несколько раз за цикл. Затем он сохраняет значительную часть полученной энергии. Эта энергия достигает 13.8 эВ, необходимых для ионизации молекулы CO2, и запускает лавину.

2.4 Плотность засечек определяется мощностью и длительностью радиочастотного сигнала.

Плотность затравочных электронов зависит от мощности радиочастотного излучения, подаваемого на газ, длительности импульса и доли этой мощности, достигающей объема разряда.

n_e0 ∝ P_RF · t_pre · η_coupling / V_discharge

где n_e0 — плотность затравочных электронов в см⁻³, P_RF — мощность ВЧ-преионизации в Вт, t_pre — длительность импульса в мкс, η_coupling — эффективность согласующей сети, а V_discharge — объем разряда в см³. Для одновременного зажигания требуется n_e0 выше 10⁷ см⁻³.

Типичные значения варьируются от десятков до сотен ватт в течение 1–10 мкс. Снижение η_coupling оказывает прямое воздействие: при 30% от заданной эффективности плотность зародышей падает на 30%, и внешний канал загорается с задержкой.

2.5 Потери внутри разделительного конденсатора

Разделительный конденсатор пропускает полное ВЧ-напряжение и находится на пути тока к каждому каналу. Его диэлектрические потери преобразуют часть мощности предварительной ионизации в тепло внутри компонента.

P_loss = 2π · f · C · V² · DF

где P_loss — мощность, поглощаемая конденсатором, в Вт, f — частота возбуждения в Гц, C — емкость в нФ, V — среднеквадратичное напряжение на компоненте в кВ, а DF — коэффициент рассеяния. Компонент емкостью 1 нФ при частоте 50 МГц и напряжении 2 кВ с коэффициентом рассеяния 3 % поглощает 377 Вт, тогда как тот же компонент с коэффициентом рассеяния 0.1 % поглощает 12.6 Вт.

Потери сосредоточены в конденсаторе. Он повышает температуру корпуса и изменяет его значение. В результате, по мере нагревания корпуса, согласующая цепь теряет свою настройку. Именно это смещение является причиной нестабильности звучания каналов после 30 минут работы.

Рис. 1 — Разделительные конденсаторы класса II преобразуют энергию предварительной ионизации в тепло тела, поэтому внешний волноводный канал загорается с задержкой, и распределение мощности между восемью каналами нарушается.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Разделительные конденсаторы класса II поглощают энергию предварительной ионизации.

В компоненте связи X7R коэффициент потерь мощности достигает 2–5 % на частоте 50 МГц. В типичном блоке, охватывающем 8 каналов, этот коэффициент потерь мощности снижает мощность в 20–50 раз по сравнению с компонентом N4700, обеспечивающим 0.1 %.

Потери происходят в корпусе конденсатора, температура которого повышается на 40 °C и более за час работы. Затем значение параметра изменяется вместе с теплом. Схема расстраивается. Внешние каналы получают меньше энергии по мере увеличения смещения.

Проблема 2: Неравномерное расстояние подачи задерживает прохождение через внешние каналы.

Расстояние от точки питания до каждого канала не может быть одинаковым. Каналы, расположенные ближе к точке питания, видят более сильное поле, чем каналы на дальнем конце. Только из-за такой геометрии возникает разброс поля от 10% до 30%.

Разделительный конденсатор с допуском ±5 % или дрейфом ±30 ppm/°C добавляет второй член. Когда задержка зажигания превышает 200 нс, мощность пучка позднего канала отклоняется более чем на 25 %, и комбинированный профиль пучка искажается.

Проблема 3: На поперечном сечении толщиной от 1 до 3 мм показаны все погрешности поля.

Внутри канала диаметром 2 мм распределение плотности электронов определяет режим разряда. Концентрация краевого поля наклоняет разряд к одной из стенок и смещает его от режима EH₁₁.

Качество пучка ухудшается еще до появления дуги, поэтому неисправность выглядит как проблема с оптикой. Неравномерности поля в 10% по поперечному сечению достаточно, чтобы сместить профиль усиления и изменить режим работы выходного сигнала.

Проблемный момент 4: Паразитный резонанс в цепи питания.

На частоте 50 МГц дорожки печатной платы, выводы и паяные соединения несут паразитную индуктивность от 5 нГн до 30 нГн, а также несколько пикофарад паразитной емкости. Эти элементы образуют последовательный или параллельный резонанс с разделительным конденсатором.

В резонансной точке импеданс значительно отклоняется от номинального значения, поэтому мощность предварительной ионизации падает или отражается. Этот симптом проявляется во время частотной развертки, когда некоторые каналы запускаются при одной настройке и выходят из строя при следующей.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать конденсаторы класса I в согласующей цепи.

Микросхема класса I N4700 обеспечивает коэффициент несущей способности ниже 0.1 % на частоте 50 МГц и температурный коэффициент ±30 ppm/°C. По сравнению с микросхемой X7R, имеющей коэффициент несущей способности от 2 % до 5 % и изменение емкости от −30 % до +15 %, разница в подаваемой мощности достигает 20–50 раз.

После повышения температуры тела на 40 °C емкость компонента N4700 уменьшается до менее чем 0.12 %, поэтому согласующая цепь сохраняет свою частотную характеристику на протяжении всего сдвига. Именно это свойство обеспечивает одинаковую мощность предварительной ионизации на 8 или 16 каналах.

Стратегия 2: Использование симметричной топологии подачи

Односторонняя подача сигнала работает до 4 каналов и обеспечивает разницу между ближним и дальним сигналом выше 30 %. Двусторонняя симметричная подача сигнала обеспечивает разницу менее 10 % для 4–8 каналов. Центросимметричная подача сигнала обеспечивает разницу менее 5 % для 8–16 каналов.

При использовании более 8 каналов применяйте делитель мощности типа Wilkinson. Делитель позволяет снизить разброс мощности до менее чем 2 % и обеспечивает каждый канал собственным разделительным резистором, поэтому неисправность на одном порту не приведет к нарушению баланса остальных.

Стратегия 3: Моделирование структуры связи в 3D.

Выполните трехмерное электромагнитное моделирование соединительной пластины, петель и волноводного блока. Отрегулируйте размеры и положение щелей до тех пор, пока однородность поля по каждому поперечному сечению не превысит 90 %.

Задерживайте расстояние между соединительной пластиной и стенкой волновода как можно меньше, насколько это позволяют механические возможности, чтобы эффективность связи оставалась высокой. Добавьте заземленный экран вокруг питающего элемента, чтобы энергия ВЧ-излучения не попадала в электронику управления лазером.

Стратегия 4: Выберите резисторы с низким уровнем паразитных потерь для согласующей цепи.

Резисторы в разветвителе мощности должны сохранять свое сопротивление на частотах в МГц. резистор выборки HVRGXP Обладает паразитной индуктивностью менее 10 нГн и температурным коэффициентом ±50 ppm/°C.

Низкая индуктивность позволяет поддерживать эффективное сопротивление близким к значению постоянного тока при быстром радиочастотном импульсе, поэтому распределение мощности между каналами остается точным с погрешностью ±2 %. Допуск резисторов должен соответствовать ±1 % в плечах делителя и ±2 % в демпфирующих положениях.

Стратегия 5: Добавить автоматическую настройку частоты.

Варикапный диод настраивается за микросекунды с разрешением ±1 %, что подходит для быстрого импульсного режима. Механический подстроечный резистор обеспечивает точность ±0.5 % в режиме непрерывной волны с фиксированной частотой. Этап прямого цифрового синтеза обеспечивает точность ±0.01 % и реагирует за наносекунды.

Отслеживайте форму волны разрядного тока каждого канала и одновременно регулируйте частоту и мощность предварительной ионизации. Затем контур поддерживает каждый канал в одном и том же состоянии по мере старения газа и перемещения тепла внутри корпуса.

Стратегия 6: Проверьте четыре ключевых числа.

Измерьте задержку зажигания каждого канала относительно общего триггера и убедитесь, что разброс значений не превышает 200 нс. Измерьте мощность пучка каждого канала на полной мощности и убедитесь, что разброс значений не превышает ±2 %.

Измерьте нагрев соединительной части через 30 минут при рабочей частоте повторения и проверьте дрейф значений относительно коэффициента ±30 ppm/°C. Измерьте равномерность поля в моделировании и подтвердите ее значение выше 90 % с помощью стендового датчика.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы HVC для согласующей цепи.

Компания HVC производит конденсаторы класса I и согласующие резисторы для сетей предварительной ионизации в диапазоне МГц. Серийные поставки осуществляются производителям лазерного и радиочастотного оборудования с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Коэффициент детерминации ниже 0.1 % на частоте 50 МГц. N4700 Эта часть передает ВЧ-мощность газу, а не поглощает ее, что повышает эффективность связи более чем на 30 % в 8-канальном блоке.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C. Емкость изменяется менее чем на 0.12 % при повышении температуры на 40 °C, поэтому отклик сети и мощность канала сохраняются в течение длительного периода времени.
• Резонансная частота в диапазоне сотен МГц. Низкоиндуктивная конструкция позволяет выбрать любую частоту предварительной ионизации от 10 МГц до 100 МГц.
• Паразитная индуктивность ниже 10 нГн в последовательном соединении резисторов. HVR-BSP Резисторы Сохраняйте коэффициент деления и значение демпфирования под воздействием радиочастотного импульса с температурным коэффициентом ±50 ppm/°C.
• Блокировка и связь постоянного тока в одном устройстве. Конденсатор дверной ручки HVCT8G На каждом соединительном порту блокируется обратное движение основного разряда и одновременно проходит сигнал предварительной ионизации.
• Координированные части. А пленочный конденсатор охватывает положение звена постоянного тока, а также быстровосстанавливающийся диод охватывает положение выпрямителя в том же источнике питания.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а компоненты нестандартной емкости, номинального напряжения или типа выводов — в течение 6-10 недель. Заказы на лазеры имеют рекордную частотную характеристику (DF) на частоте 50 МГц, рекордное значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) на рабочей частоте и Перекрестная ссылка таблица в сравнении с сериями Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

Отправьте количество каналов, размеры поперечного сечения, частоту предварительной ионизации, уровень мощности ВЧ и схему подключения. HVC вернет согласующую таблицу согласующей сети с номерами компонентов для каждого порта, а также образцы устройств для проверки баланса каналов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему внешние каналы воспламеняются с задержкой?

Две причины. Расстояние до внешнего канала больше, поэтому он получает более слабое поле, а разброс от 10% до 30% обусловлен геометрией. Конденсатор связи с допуском ±5% или большим температурным коэффициентом добавляет второй член. Когда задержка превышает 200 нс, мощность пучка отклоняется более чем на 25%.

Вопрос 2: Какую величину потерь ВЧ вносит разделительный конденсатор X7R?

При коэффициенте замещения 3 % по сравнению с коэффициентом замещения 0.1 % потери в 30 раз выше. Микросхема емкостью 1 нФ при частоте 50 МГц и напряжении 2 кВ поглощает 377 Вт при коэффициенте замещения 3 %, против 12.6 Вт при коэффициенте замещения 0.1 %. Потери приводят к нагреву корпуса, смещению емкости и расстройке цепи.

В3: Почему излучение частотой 50 МГц проникает через волновод диаметром 2 мм?

Поскольку частота среза EH₁₁ этого волновода находится на уровне 106 ГГц, что значительно выше частоты возбуждения. Ниже частоты среза поле входит в виде эванесцентной волны с глубиной проникновения, намного превышающей 2 мм, поэтому оно заполняет поперечное сечение. Ультрафиолетовый свет достигает того же канала только по прямой линии.

Вопрос 4: Сколько каналов может обслуживать один канал?

Односторонняя подача сигнала подходит для 4 каналов и обеспечивает разницу в мощности более 30 %. Двусторонняя подача обеспечивает разницу менее 10 % для 4–8 каналов. Центросимметричная подача обеспечивает разницу менее 5 % для 8–16 каналов. При количестве каналов более 8 массив делителей Вилкинсона обеспечивает разброс мощности менее 2 %.

В5: Почему баланс каналов смещается через 30 минут?

Потому что разделительные конденсаторы нагреваются. Компонент класса II с большим температурным коэффициентом меняет свои характеристики при повышении температуры тела на 40 °C. В результате происходит расстройка цепи, и распределение мощности отклоняется от расчетного значения. У компонента N4700 изменение характеристик за этот период составляет менее 0.12 %.

В6: Какой должна быть эффективность предварительной ионизации?

Эффективность связи напрямую определяет плотность затравки, поскольку n_e0 масштабируется с P_RF, длительностью импульса и η_связью. Типичные импульсы длятся от 1 мкс до 10 мкс при мощности от десятков до сотен ватт, и для одновременного зажигания требуется, чтобы n_e0 превышало 10⁷ см⁻³ в каждом канале.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-22:2019, Медицинское электрооборудование — Часть 2-22: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам хирургического, косметического, терапевтического и диагностического лазерного оборудования.Женева: МЭК, 2019.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Цян-Тао Лай, Цзюнь-Фа Мао и Му-Шуй Чжан, Компенсационная схема многослойного керамического конденсатора с блокировкой постоянного тока для высокоскоростных приложений.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, no. 5, pp. 742-751, 2011. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2011.2116016
8. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
9. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com